声速测量

利用压电陶瓷片产生超声波的应用很多，包括声速的测量。通过两种测量声波波长的方法的学习，对声音、声波会有更准确的认识和理解。

声速测量

• 实验目的
  • 1. 进一步学习示波器的使用方法
  • 2. 了解换能器原理和应用
  • 3. 理解声速测量的原理，掌握驻波法和相位法测量波长
• 实验原理
  • • • 压电陶瓷 逆压电效应
        • • 电能转化为机械能
            • 交流电频率等于振动频率
              • 谐振频率下，振动幅度最大
          • 晶振是电子电路中最常用的电子元件之一，晶振具有压电效应，即在晶片两极外加电压后晶体会产生变形，反过来如外力使晶片变形，则两极上金属片又会产生电压。如果给晶片加上适当的交变电压，晶片就会产生谐振（谐振频率与石英斜面倾角等有关系，且频率一定）。晶振利用一种能把电能和机械能相互转化的晶体，在共振的状态下工作可以提供稳定、精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。利用该特性，晶振可以提供较稳定的脉冲，广泛应用于微芯片的时钟电路里。晶片多为石英半导体材料，外壳用金属封装。
            • 石英晶体有两个谐振频率，即fs和fp，fp略大于fs。当加到石英晶体两端信号的频率不同时，它会呈现出不同的特性。
              • 当f=fs时，石英晶体呈阻性，相当于阻值小的电阻
              • 当f≥fp时，石英晶体呈容性，相当于电容
    • • 1. 驻波法
        • • 相邻波腹/波节之间的距离
      • 2. 相位法
        • 发射信号和接收信号分别送入示波器的x、y方向叠加
          • 李萨如图
• 实验内容
  • 1. 调节谐振频率
    • 记录室温t
    • 连接信号源、示波器和声速测试仪
    • 调节示波器
      • 波形稳定清晰
    • 调平
      • 两个换能器位置水平
        • 信号最强
    • 调节谐振频率
      • 纵向电压最大
        • 信号最宽
          • 记录谐振频率
  • 2. 驻波法测声速
    • 移动换能器位置
    • 记录波腹位置
      • • 43.32mm
    • 计算波长
  • 3. 相位法测声速
    • 移动换能器位置
    • 记录相图“/”的位置
      • • 47.78mm
    • 计算波长
• 数据处理
  • 利用经验公式计算Vs
  • 利用逐差法计算波长和相对误差
    • 驻波法
    • 相位法
  • 计算不确定度
• 误差分析
  • 系统误差
  • 偶然误差
• 问题思考
  • 为什么只有在特定频率下才会发生谐振？
  • 换能器之间的叠加波和驻波有什么区别？
  • 把压电陶瓷片两端的交流电换成直流电可以产生超声波吗？为什么？